CN111913241A

CN111913241A - 超透镜和包括超透镜的光学装置

Info

Publication number: CN111913241A
Application number: CN202010359711.3A
Authority: CN
Inventors: 朴贤圣; 韩承勋; 朴贤秀; 申昶均
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2020-11-10
Also published as: US20200355913A1; US11454808B2

Abstract

一种超透镜，包括：第一超表面和第二超表面，所述第一超表面包括以第一形状分布进行分布的多个第一纳米结构，所述第二超表面包括多个第二纳米结构，所述多个第二纳米结构与所述第一超表面间隔开比预定波段的中心波长大的距离并且以第二形状分布进行分布。通过设置这两个超表面的相位延迟函数，可以针对预定波段中的光实现所需的屈光力和色差。

Description

超透镜和包括超透镜的光学装置

相关申请的交叉引用

本申请要求分别于2019年5月7日和2020年4月8日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2019-0053244和10-2020-0042974的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及超透镜和包括超透镜的光学装置。

背景技术

使用基于半导体的传感器阵列的光学传感器越来越多地用于移动设备、可穿戴设备和物联网(IoT)中。

尽管需要这些装置的小型化，但是难以减小这些装置中包括的光学透镜的厚度。这是因为，在使用曲率调节光学性能的透镜中，随着曲率半径的减小，屈光力增大，并且随着曲率半径的减小，透镜在光轴方向上所占的厚度增大。

因此，已经尝试实现基于超表面的平坦且薄的透镜。然而，在实现所需的屈光力、控制色差等方面仍然存在困难。

发明内容

提供了能够针对多波段中的光实现所需的屈光力和色差的超透镜。

将在随后的描述中部分地阐述附加的方面，并且所述附加的方面将部分地通过该描述而变得清楚，或者可以通过实践本公开所呈现的实施例而获知。

根据一种类型的超透镜包括：第一超表面，其包括以第一形状分布进行分布的多个第一纳米结构；以及第二超表面，其包括多个第二纳米结构，所述多个第二纳米结构与第一超表面间隔开比预定波段的中心波长大的距离并且以第二形状分布进行分布，其中，该超透镜针对预定波段中的光表现出色差。

第一形状分布可以被限定为使得用于通过第一超表面对入射光的相位进行延迟的函数φ₁被表示为针对距第一超表面的中心的距离r的φ₁(r)＝ar²。

第一形状分布可以被确定为使得第一超表面针对预定波段中的不同波长的光表现出实质上相同的函数φ₁。

第二形状分布可以被限定为使得用于通过第二超表面对入射光的相位进行延迟的函数φ₂被表示为针对距第二超表面的中心的距离r的φ₂(r)＝br²(b≠a)。

第二形状分布可以被确定为使得第二超表面针对预定波段中的不同波长的光表现出实质上相同的函数φ₂。

对于中心波长的光，第一超表面和第二超表面可以具有符号相反的屈光力。

第一超表面相对于中心波长的光的焦距f1、第二超表面相对于中心波长的光的焦距f2、以及第一超表面与第二超表面之间的距离d可以被设置为，使得该超透镜相对于中心波长的光的屈光力实质上为零。

第一超表面与第二超表面之间的距离可以大于中心波长的5倍。

预定波段可以被包括在从可见光到红外线的波段中。

第一纳米结构和第二纳米结构可以具有对高度和宽度进行限定的柱形状。

第一纳米结构和第二纳米结构的宽度小于中心波长。

第一纳米结构和第二纳米结构的高度可以是中心波长的1/2或更大。

该超透镜还可以包括具有彼此面对的第一表面和第二表面的基件，其中，所述多个第一纳米结构可以被布置在第一表面上，其中，所述多个第二纳米结构可以被布置在第二表面上。

该超透镜还可以包括：第一保护层，其被构造为覆盖所述多个第一纳米结构并且包括具有比所述多个第一纳米结构的折射率低的折射率的材料；以及第二保护层，其被构造为覆盖所述多个第二纳米结构并且包括具有比所述多个第二纳米结构的折射率小的折射率的材料。

第一保护层和第二保护层中的至少一项可以具有曲面。

第一保护层和第二保护层中的一项可以具有凸曲面，并且另一项可以具有凹曲面。

该超透镜还可以包括：第一基件，其被构造为支撑所述多个第一纳米结构；以及第二基件，其被构造为支撑所述多个第二纳米结构。

第一保护层和第二保护层中的至少一项可以具有曲面。

第一基件中布置有所述多个第一纳米结构的表面的背面和第二基件中布置有所述多个第二纳米结构的表面的背面可以彼此结合。

备选地，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构可以被布置为彼此面对。

该超透镜还可以包括：基件，其被构造为支撑所述多个第一纳米结构；以及第一保护层，其被构造为覆盖所述多个第一纳米结构并且包括具有比所述多个第一纳米结构的折射率小的折射率的材料，其中，所述多个第二纳米结构可以被布置在第一保护层上。

该超透镜还可以包括：第二保护层，其被构造为覆盖所述多个第二纳米结构并且包括具有比所述多个第二纳米结构的折射率小的折射率的材料。

第二保护层可以具有曲面。

根据一种类型的成像透镜包括：透镜单元，其包括一个或多个屈光透镜；以及上述任何一种超透镜。

该超透镜可以具有色差，以减小由透镜单元引起的色差，其中，该成像透镜的焦距可以与透镜单元的焦距实质上相同。

根据一种类型的成像装置包括：上述成像透镜；以及图像传感器，其被构造为将由成像透镜形成的光学图像转换成电信号。

附图说明

根据以下结合附图的描述，本公开的某些实施例的上述和其他方面、特征以及优点将更清楚，在附图中：

图1是示出根据实施例的不同波长的光作用于设置在超透镜中的两个超表面的概念图。

图2A是示出根据实施例的设置在超透镜中的超表面的示例性形状的平面图，且图2B是示出设置在超表面中的纳米结构的示例性形状的透视图。

图3是示出光束的位置的图，该光束与光轴有一定距离并且具有相对于超表面的入射角，以便解释该光束通过超表面的位移。

图4A和图4B是示出基于间隔开预定间隔的两个超表面的焦距的组合，超透镜的焦距和色差的图。

图4C和图4D是示出基于间隔开另一预定间隔的两个超表面的焦距的组合，超透镜的焦距和色差的图。

图5A至图5D使用光线跟踪技术示出与图4A所示的四个点相对应的超透镜的聚焦特性。

图6示出根据对照示例的由一个超表面组成的超透镜中的聚焦特性。

图7是示意性地示出根据另一实施例的超透镜的结构的截面图。

图8是示意性地示出根据另一实施例的超透镜的结构的截面图。

图9是示意性地示出根据另一实施例的超透镜的结构的截面图。

图10是示意性地示出根据另一实施例的超透镜的结构的截面图。

图11是示意性地示出根据另一实施例的超透镜的结构的截面图。

图12是示意性地示出根据另一实施例的超透镜的结构的截面图。

图13是示意性地示出根据另一实施例的超透镜的结构的截面图。

图14示意性地示出根据实施例的成像透镜的结构和光学布置。

图15示意性地示出根据实施例的成像装置的结构和光学布置。

具体实施方式

现在将详细参考实施例，在附图中示出实施例的示例，其中，在全部附图中用类似的附图标记表示类似的要素。在这个方面，当前的实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐述的描述。因此，仅在下文通过参考这些附图来描述这些实施例，以说明这些方面。如本文中所使用的术语“和/或”包括相关列出项中的任意项和一项或多项的所有组合。当诸如“至少一个”之类的表述位于要素列表之后时，修饰整个要素列表而不修饰列表的单个要素。

在下文中，将参考附图来详细描述实施例。所描述的实施例仅是示例性的，并且可能存在根据这些实施例的各种修改。在以下附图中，类似的附图标记表示类似的要素，并且为了清楚和便于说明，附图中每个组件的尺寸可能被放大。

在下文中，被描述为“上面的”或“在…上方的”不仅可以包括直接位于上方并且接触，而且可以包括位于上方而不接触。

诸如“第一”和“第二”之类的术语可以用于描述各种组件，但仅用于将一个组件与其他组件进行区分的目的。这些术语不限制组件的材料或结构上的差异。

除非另外指定，否则单数形式的术语可以包括复数形式。而且，当部件“包括”组件时，这意味着，除非另外特别说明，否则它还可以包括其他组件而不是排除其他组件。

另外，说明书中描述的术语“部件”、“模块”等是指用于处理至少一个功能或操作的单元，并且该单元可以以硬件或软件或以硬件和软件的组合来实现。

术语“以上”和类似指示术语的使用可以与单数和复数两者相对应。

组成方法的步骤可以按适当的顺序执行，除非明确声明所述步骤应按照所描述的顺序执行。另外，所有示例性术语(例如，等)的使用仅用于详细描述技术思想，并且权利范围不受这些术语的限制，除非其由权利要求所限制。

图1是示出根据实施例的不同波长的光作用于设置在超透镜中的两个超表面的概念图。图2A是示出根据实施例的设置在超透镜中的超表面的示例性形状的平面图，且图2B是示出设置在超表面中的纳米结构的示例性形状的透视图。

超透镜ML包括彼此间隔开的第一超表面MS1和第二超表面MS2。第一超表面MS1和第二超表面MS2被构造为通过根据其位置对入射光的相位进行调制来实现预定的透射相位分布。可以设置预定的透射相位分布，使得超透镜ML对于预定波段中的入射光表现出所需的屈光力和色差。第一超表面MS1和第二超表面MS2之间的距离可以大于预定波段的中心波长λ₀。预定波段可以是包括可见光范围和红外线范围的范围内所包括的波段，但是不限于此。

第一超表面MS1和第二超表面MS2可以被构造为分别具有φ₁(r)和φ₂(r)形式的对于入射光的相位延迟函数。φ₁(r)和φ₂(r)可以是对于入射光的预定屈光力的形式。即，入射光可以通过第一超表面MS1和第二超表面MS2会聚或发散。

φ₁(r)可以是针对距第一超表面MS1的中心的距离r的φ₁(r)＝ar²的形式。即，φ₁(r)被表示为距第一超表面MS1的中心的距离的函数，并且对入射光的波长几乎没有依赖性。换言之，对于在预定波段中的不同波长λ₁和λ₂的光，第一超表面MS1可以具有实质上相同的函数φ₁(r)。因此，入射到第一超表面MS1上的第一波长λ₁的光和第二波长λ₂的光具有不同的透射相位分布，并且以不同的角度发生衍射和偏转。

φ₂(r)可以是针对距第二超表面MS2的中心的距离r的φ₂(r)＝br²的形式。b是不同于a的实数。即，φ₂(r)被表示为距第二超表面MS2的中心的距离的函数，并且对入射光的波长几乎没有依赖性。换言之，类似于第一超表面MS1，对于在预定波段中的不同波长λ₁和λ₂的光，第二超表面MS2可以具有实质上相同的函数φ₂(r)。因此，入射到第二超表面MS2上的第一波长λ₁的光和第二波长λ₂的光具有不同的透射相位分布，并且以不同的角度偏转。

根据相位延迟函数来确定入射光的透射相位分布，并且在下文中，可以互换地使用相位延迟函数的表述和透射相位分布的表述。

通过由第一超表面MS1表现的相位延迟函数，不同波长的光在通过第一超表面MS1之后以不同的程度偏转以遵循不同的光路。由于该路径差异，第一波长λ₁的光和第二波长λ₂的光从不同的位置和角度进入第二超表面MS2。如图所示，第一波长λ₁的光和第二波长λ₂的光在距第二超表面MS2的中心的距离r₁和距离r₂的相应位置处进入第二超表面MS2。根据由第二超表面MS2表现的相位延迟函数，第一波长λ₁的光和第二波长λ₂的光的透射相位分布发生不同程度的改变、衍射和偏转。

分别通过第一超表面MS1和第二超表面MS2的第一波长λ₁的光和第二波长λ₂的光可以形成不同的焦点。将该焦点色散Δf表示为色差。可以通过调节由第一超表面MS1和第二超表面MS2表现的相位延迟函数来实现各种焦距和色差特性。

第一超表面MS1和第二超表面MS2可以具有相反的屈光力。第一超表面MS1和第二超表面MS2中的一项可以具有正屈光力，并且另一项可以具有负屈光力。正屈光力是对光进行会聚的性质，并且可以被表示为正焦距，而负屈光力是对光进行发散的性质，并且可以被表示为负焦距。在下文中，由于屈光力和焦距是波长相关的，因此除非另有说明，否则意指波长大约是超透镜ML的工作波长内的中心波长λ₀。

第一超表面MS1和第二超表面MS2中的一项具有正屈光力并且另一项具有负屈光力，从而增加了超透镜ML所实现的色差的范围。此外，通过允许第一超表面MS1和第二超表面MS2之间的间隔d大于波长λ₀，可以促进由超透镜ML实现的色差的具体调节。例如，该间隔d可以大于5λ₀。备选地，该间隔d可以大于10λ₀，或者大于100λ₀。

为了使得超透镜ML具有小的屈光力，即，使得第一超表面MS1和第二超表面MS2中的每一项的屈光力的作用抵消，可以确定第一超表面MS1的焦距、第二超表面MS2的焦距、以及第一超表面MS1与第二超表面MS2之间的间隔。通过与其他透镜组合，超透镜ML可以用作校正色差的透镜，而不影响总焦距。

参考第一超表面MS1和第二超表面MS2的具体形式，其可以具有如图2A所示的超表面MS。多个纳米结构NS可以沿着多个环形布置。纳米结构NS的每个位置处的形状和尺寸可以被定义为距超表面MS的中心的距离r的函数，并且可以具有极对称分布(polarsymmetrical distribution)。然而，这是示例性的并且不限于此。

可以根据超表面MS想要实现的相位延迟函数来确定纳米结构NS的每个位置处的形状和尺寸。也就是说，第一超表面MS1可以包括用于实现相位延迟函数φ₁(r)的具有第一形状分布的多个纳米结构；并且，第二超表面MS2可以包括用于实现相位延迟函数φ₂(r)的具有第二形状分布的多个纳米结构。

如图2B所示，纳米结构NS可以包括具有高度H和直径W的圆柱形状。纳米结构NS的形状不限于此，并且可以包括立柱形状，该立柱形状具有可以限定高度和宽度的各种形状的截面。截面形状可以是多边形、椭圆形或各种其他形状。

纳米结构NS的宽度W可以小于超透镜ML的工作波长，即，预定波段的中心波长λ₀，并且纳米结构NS的高度H可以是中心波长λ₀的一半以上。

图3是示出光线的位置的图，该光线与光轴有一定距离并且具有相对于超表面的入射角，以便解释该光线通过超表面的位移。

使用近轴近似，可以将第一超表面MS1和第二超表面MS2的作用视为公式。如图3所示，当光线的初始位置和入射角分别为r₀和θ₀时，光线通过第一超表面MS1和第二超表面MS2的位移r₃可以由下面的公式1表示。

[公式1]

其中

且

此处，φ₁(r)是通过第一超表面MS1的透射相位分布，φ₂(r)是通过第二超表面MS2的透射相位分布。

假设光垂直入射，则第一超表面MS1和第二超表面MS2形成透镜的条件可以由下面的公式2表示。

[公式2]

根据这些透镜形成条件，由第一超表面MS1和第二超表面MS2组成的透镜的焦距为以下的公式3。

[公式3]

在公式1、2和3中，n是超表面的折射率，λ是入射光的波长，并且k₀根据以下公式4进行定义。

[公式4]

色差α根据以下公式5进行定义。

[公式5]

图4A和图4B是示出基于间隔开预定间隔的两个超表面的焦距的组合，超透镜的焦距和色差的图。该焦距是针对中心波长为800nm的光。

在图4A中，纵轴表示第一超表面MS1的焦距f₁，横轴表示第二超表面MS2的焦距f₂。第一超表面MS1和第二超表面MS2之间的间隔为1mm。这两个超表面的组合焦距f₀为在所示出的二维图中所显示的值。

在图4B中，色差α被显示在二维图上，在该二维图中，第一超表面MS1的焦距f₁是纵轴并且第二超表面MS2的焦距f₂是横轴。

图4A中所显示的点被选为在相同焦距f₀的位置处的任意四个点①、②、③、④。参考图4B，可以看出，与所述位置相对应的色差彼此不同。

通过使用焦距图和色差图，可以设计每个超表面的相位延迟函数，并且可以实现所需的焦距和色差。

参考图4C和图4D，第一超表面MS1和第二超表面MS2之间的间隔为0.5mm。

参考图4A至图4D，可以看出，可以通过改变第一超表面MS1和第二超表面MS2之间的间隔来改变色差范围。

图5A至图5D使用光线跟踪技术示出与图4A所示的四个点①②③④相对应的超透镜的聚焦特性。

图5A至图5D示出实现相同焦距f₀的第一超表面MS1和第二超表面MS2的焦距f₁和f₂的各种组合。此处，f₀、f₁和f₂是针对中心波长为800nm的光，并且可以看出700nm和900nm的光在不同的位置形成焦点。将该焦点色散Δf表示为色差。

根据对照示例的超表面10表现出根据由超表面10表现的预定相位延迟函数所确定的一种焦距和色差。

与对照示例相比，可以看出，实施例的超透镜ML可以通过组合两个超表面的相位延迟函数来实现各种焦距和色差。

图7是示意性地示出根据实施例的超透镜的结构的截面图。

超透镜100包括基件110和分别形成在基件110的两个表面上的多个第一纳米结构NS1和多个第二纳米结构NS2。

多个第一纳米结构NS1具有第一形状分布并形成第一超表面MS1，并且多个第二纳米结构NS2具有第二形状分布并形成第二超表面MS2。如上所述，可以根据第一超表面MS1和第二超表面MS2要表现的相位延迟函数φ₁(r)和φ₂(r)来确定第一形状分布和第二形状分布。可以考虑要由包括第一超表面MS1、第二超表面MS2及其组合的超透镜100实现的光学性能来确定相位延迟函数φ1(r)和φ2(r)。

可以确定多个第一纳米结构NS1的形状分布，使得第一超表面MS1具有指示正屈光力的预定相位延迟函数。

可以确定多个第二纳米结构NS2的形状分布，使得第二超表面MS2具有指示负屈光力的预定相位延迟函数。

第一纳米结构NS1具有宽度W1和高度H1，并且这些值可以根据第一纳米结构NS1的位置而变化。第二纳米结构NS2具有宽度W2和高度H2，并且这些值可以根据第二纳米结构NS2的位置而变化。

第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的高度在附图中都相同，但是不限于此，而是可以根据位置而变化。多个第一纳米结构NS1可以全部具有相同的高度，并且多个第二纳米结构NS2可以全部具有与多个第一纳米结构NS1的高度不同的相同高度。

基件110支撑第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2，并且可以由具有与第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2不同的折射率的材料制成。基件110与第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2之间的折射率之差可以是0.5或更大。第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的折射率可以比基件110的折射率高，但是不限于此。

可以确定基件110的厚度以在第一超表面MS1和第二超表面MS2之间设置间隔d。

基件110可以由玻璃(例如，熔融二氧化硅、BK7等)、石英、聚合物(例如，PMMA、SU-8等)和塑料中的任意一项制成，并且可以是半导体基件。第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以包括c-Si、p-Si、a-Si、III-V族化合物半导体(例如，GaP、GaN、GaAs等)、SiC、TiO₂和SiN中的至少一项。

在下文中，将描述根据各种实施例的超透镜的结构。在下文中，根据各自实现预定相位延迟函数的第一形状分布和第二形状分布，多个第一纳米结构NS1和多个第二纳米结构NS2分别形成第一超表面MS1和第二超表面MS2，并且仅将描述每个实施例中的不同组件。

根据本实施例的超透镜101进一步包括覆盖多个第一纳米结构NS1的第一保护层121和覆盖多个第二纳米结构NS2的第二保护层122。

第一保护层121与第一纳米结构NS1之间的折射率之差可以是0.5或更大，并且第二保护层122与第二纳米结构NS2之间的折射率之差可以是0.5或更大。第一保护层121和第二保护层122可以由诸如SU-8和PMMA之类的聚合物材料制成。

第一保护层121和第二保护层122可以分别具有比第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的折射率低的折射率。然而，本发明不限于此，并且折射率可以反转。

该实施例的超透镜102与图8的超透镜101的不同之处在于，第一保护层123和第二保护层124具有曲面。

第一超表面MS1表现正屈光力，并且第一保护层123的表面123a可以是凸的。第二超表面MS2表现负屈光力，并且第二保护层124的表面124a可以是凹的。然而，本发明不限于此。

在附图中，尽管第一保护层123的表面123a和第二保护层124的表面124a均被示出为具有曲面，但是本发明不限于此。表面123a和表面124a中的一项可以是曲面，另一项可以是平坦的，并且其凹面和凸面可以彼此相对。所示的曲面可以是球面的或非球面的。

以这种方式，第一保护层123和第二保护层124也可以具有预定的屈光力，从而补偿第一超表面MS1和第二超表面MS2的屈光力。

超透镜103包括支撑多个第一纳米结构NS1的第一基件111和支撑多个第二纳米结构NS2的第二基件112。

第一基件111和第二基件112可以由具有比第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2低的折射率的材料制成。第一基件111中布置有第一纳米结构NS1的表面的背面和第二基件112中布置有第二纳米结构NS2的表面的背面可以彼此结合。可以确定第一基件111的厚度和第二基件112的厚度之和，以在第一超表面MS1和第二超表面MS2之间设置间隔d。

另外，还可以设置覆盖多个第一纳米结构NS1的第一保护层121和覆盖多个第二纳米结构NS2的第二保护层122。第一保护层121和第二保护层122均被示出为平坦的，但是不限于此，并且它们中的至少一项可以具有曲面。

超透镜104包括：布置在基件113上的多个第一纳米结构NS1；覆盖多个第一纳米结构NS1并且具有与第一纳米结构NS1不同的折射率的第一保护层125；布置在第一保护层125上的多个第二纳米结构NS2；以及，覆盖多个第二纳米结构NS2并且具有与第二纳米结构NS2不同的折射率的第二保护层126。

可以将第一保护层125的厚度确定为满足在第一超表面MS1和第二超表面MS2之间所设置的距离d。

第一保护层125与第一纳米结构NS1之间的折射率之差可以是0.5或更大，并且第二保护层126与第二纳米结构NS2之间的折射率之差可以是0.5或更大。可以省略第二保护层126。

该实施例的超透镜105与图11的超透镜104的不同之处在于，第二保护层127具有曲面127a。第二保护层127的曲面127a被示出为凸的，但是不限于此，并且可以是凹的。

该实施例的超透镜106包括：布置在第一基件115上的多个第一纳米结构NS1和布置在第二基件116上的多个第二纳米结构NS2。另外，还可以设置覆盖多个第一纳米结构NS1的第一保护层128和覆盖多个第二纳米结构NS2的第二保护层129。多个第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2被布置成彼此面对，即，第一保护层128和第二保护层129被布置成彼此面对。将第一保护层128与第二保护层129之间的间隔距离确定为满足在第一超表面MS1和第二超表面MS2之间所设置的距离d。

第一保护层128和第二保护层129均被示出为平坦的，但是不限于此，并且它们中的任何一项可以是曲面。可以省略第一保护层128和第二保护层129。

上述超透镜100、101、102、103、104、105和106可以通过其中所设置的纳米结构形状分布来设置每个超表面的相位延迟函数，并且可以针对具有预定带宽的波长的光实现所需的焦距和色差，从而可以将超透镜100、101、102、103、104、105和106应用于各种光学装置。

上述超透镜100、101、102、103、104、105和106中的每一个被示出为具有两个超表面，但是可以包括三个或更多个超表面以适合于所需的屈光力和色差。

成像透镜1000包括透镜单元1200和超透镜1500，其中透镜单元1200包括一个或多个屈光透镜。

超透镜1500包括根据上述实施例的彼此间隔开预定距离的第一超表面MS1和第二超表面MS2、以及超透镜，并且可以采用其组合。

超透镜1500可以具有色差，该色差减小由透镜单元1200引起的色差。可以设置超透镜1500，使得不存在实质的屈光力，即，成像透镜1000的焦距可以与透镜单元1200的焦距实质上相同。然而，本发明不限于此。另外，在透镜单元1200中所设置的透镜的形状和数量是示例性的，并且可以改变为各种其他形状和数量。

成像装置2000包括成像透镜2200和图像传感器2700，图像传感器2700将由成像透镜2200形成的目标OBJ的光学图像转换成电信号。盖玻片2600可以被布置在成像透镜2200和图像传感器2700之间，并且可以在盖玻片2600上涂覆红外截止滤波器。

图像传感器2700被布置在由成像透镜2200形成目标OBJ的光学图像的上表面位置。图像传感器2700可以包括感测光并生成电信号的CCD、CMOS、光电二极管等的阵列。

成像透镜2200可以包括一个或多个超透镜。成像透镜2200可以是将普通屈光透镜和超透镜进行组合的结构，或者可以仅由多个超透镜制成。

已经参考附图所示的实施例描述了上述超透镜和包括超透镜的光学装置，但这仅是示例，并且本领域技术人员将理解，由此可以存在各种修改和其他等效实施例。因此，所公开实施例应该被视为仅是描述性的而不是为了限制方面的意义。本说明书的范围不是由本发明的详细描述来限定，而是由所附权利要求来限定，并且该范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。

上述超透镜包括两个超表面，并且通过设置每个超表面的相位延迟函数和超表面之间的距离，可以针对所需波段中的光实现所需的屈光力和色差。

上述超透镜可以与普通屈光透镜组合用作具有改善的色差的成像透镜，并且可以用在诸如成像装置的各种光学装置中。

应当理解，应仅以描述性意义而不是限制性目的来考虑本文描述的实施例。每个实施例之中的特征或方面的描述通常应该被考虑为可用于其他实施例中的其他类似的特征或方面。尽管已参考附图描述了一个或多个实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种超透镜，包括：

第一超表面，所述第一超表面包括以第一形状分布进行分布的多个第一纳米结构；以及

第二超表面，所述第二超表面包括多个第二纳米结构，所述多个第二纳米结构与所述第一超表面间隔开比预定波段的中心波长大的距离并且以第二形状分布进行分布，

其中，所述超透镜针对预定波段中的光表现出色差。

2.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述第一形状分布被限定为使得用于通过所述第一超表面对入射光的相位进行延迟的函数φ₁被表示为针对距所述第一超表面的中心的距离r的φ₁(r)＝ar²。

3.根据权利要求2所述的超透镜，其中，所述第一形状分布被确定为使得所述第一超表面针对所述预定波段中的不同波长的光表现出实质上相同的函数φ₁。

4.根据权利要求2所述的超透镜，其中，所述第二形状分布被限定为使得用于通过所述第二超表面对入射光的相位进行延迟的函数φ₂被表示为针对距所述第二超表面的中心的距离r的φ₂(r)＝br²(b≠a)。

5.根据权利要求4所述的超透镜，其中，所述第二形状分布被确定为使得所述第二超表面针对所述预定波段中的不同波长的光表现出实质上相同的函数φ₂。

6.根据权利要求1所述的超透镜，其中，对于所述中心波长的光，所述第一超表面和所述第二超表面具有符号相反的屈光力。

7.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述第一超表面相对于所述中心波长的光的焦距f₁、所述第二超表面相对于所述中心波长的光的焦距f₂、以及所述第一超表面与所述第二超表面之间的距离d被设置为使得所述超透镜相对于所述中心波长的光的屈光力实质上为零。

8.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述第一超表面与所述第二超表面之间的距离大于所述中心波长的5倍。

9.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述预定波段被包括在从可见光到红外线的波段中。

10.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构具有对高度和宽度进行限定的柱形状。

11.根据权利要求10所述的超透镜，其中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构的宽度小于所述中心波长。

12.根据权利要求10所述的超透镜，其中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构的高度是所述中心波长的1/2或更大。

13.根据权利要求1所述的超透镜，还包括具有彼此面对的第一表面和第二表面的基件，

其中，所述多个第一纳米结构被布置在所述第一表面上，

其中，所述多个第二纳米结构被布置在所述第二表面上。

14.根据权利要求13所述的超透镜，还包括：

第一保护层，所述第一保护层被构造为覆盖所述多个第一纳米结构并且包括具有比所述多个第一纳米结构的折射率小的折射率的材料；以及

第二保护层，所述第二保护层被构造为覆盖所述多个第二纳米结构并且包括具有比所述多个第二纳米结构的折射率小的折射率的材料。

15.根据权利要求14所述的超透镜，其中，所述第一保护层和所述第二保护层中的至少一项具有曲面。

16.根据权利要求15所述的超透镜，其中，所述第一保护层和所述第二保护层中的一项具有凸曲面，并且另一项具有凹曲面。

17.根据权利要求1所述的超透镜，还包括：

第一基件，所述第一基件被构造为支撑所述多个第一纳米结构；以及

第二基件，所述第二基件被构造为支撑所述多个第二纳米结构。

18.根据权利要求17所述的超透镜，还包括：

19.根据权利要求18所述的超透镜，其中，所述第一保护层和所述第二保护层中的至少一项具有曲面。

20.根据权利要求17所述的超透镜，其中，

所述第一基件中布置有所述多个第一纳米结构的表面的背面和所述第二基件中布置有所述多个第二纳米结构的表面的背面彼此结合。

21.根据权利要求17所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构被布置为彼此面对。

22.根据权利要求1所述的超透镜，还包括：

基件，所述基件被构造为支撑所述多个第一纳米结构；以及

第一保护层，所述第一保护层被构造为覆盖所述多个第一纳米结构并且包括具有比所述多个第一纳米结构的折射率小的折射率的材料，

其中，所述多个第二纳米结构被布置在所述第一保护层上。

23.根据权利要求22所述的超透镜，还包括：第二保护层，所述第二保护层被构造为覆盖所述多个第二纳米结构并且包括具有比所述多个第二纳米结构的折射率小的折射率的材料。

24.根据权利要求23所述的超透镜，其中，所述第二保护层具有曲面。

25.一种成像透镜，包括：

透镜单元，所述透镜单元包括一个或多个屈光透镜；以及

根据权利要求1所述的超透镜。

26.根据权利要求25所述的成像透镜，其中，所述超透镜具有色差，以减小由所述透镜单元引起的色差，

其中，所述成像透镜的焦距与所述透镜单元的焦距实质上相同。

27.一种成像装置，包括：

根据权利要求25所述的成像透镜；以及

图像传感器，所述图像传感器被构造为将由所述成像透镜形成的光学图像转换成电信号。